BookGPU/Chapters/chapter16/ch16.tex

   1 \chapterauthor{Xuexin Liu, Sheldon Xiang-Dong Tan}{Dept. Electrical Engineering,
   2   University  of California, Riverside, CA 92521, USA}
   3 %\chapterauthor{Sheldon Xiang-Dong Tan}{Dept. Electrical Engineering,  University  of California, Riverside, CA 92521}
   4 \chapterauthor{Hai Wang}{Univ. of Electronics Science and Technology of China,
   5   Chengdu, Sichuan, China}
   6 \chapterauthor{Hao Yu}{School of Electrical \& Electronic Engineering, Nanyang Technological University, Singapore}
   7
   8 %  \thanks{
   9 %    This research was supported in part by NSF grants under
  10 %    No.~CCF-1017090
  11 %    No.~OISE-1051797, and
  12 %    No.~OISE-0929699.
  13 %  }
  14
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  16
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  20
  21 \chapter[GPU-Accelerated Envelope-Following Method]{A GPU-Accelerated Envelope-Following Method for Switching Power Converter Simulation}
  22
  23 % \section{Abstract}
  24 % % Power converters have seen a surge of new trends and novel
  25 % % applications due to their widespread use  in renewable energy
  26 % % systems and emerging  hybrid and purely-electric vehicles. More
  27 % % efficient simulation  techniques for power converters are urgently
  28 % % needed to meet more design constraints.
  29 % In this chapter, we propose a new envelope-following parallel transient analysis method for
  30 % the general switching power converters. The new method first exploits
  31 % the parallelisim in the envelope-following method
  32 % and parallelize the Newton update solving part,
  33 % which is the most computational expensive, in GPU platforms
  34 % to boost the simulation performance.
  35 % To further speed up the iterative GMRES
  36 % solving for Newton update equation in the envelope-following
  37 % method, we apply the matrix-free Krylov basis generation
  38 % technique, which was previously used for RF simulation.
  39 % Last, the new method also applies more robust
  40 % Gear-2 integration to compute the sensitivity matrix instead of
  41 % traditional integration methods.
  42 % %Furthermore, the resulted Gear-2 and matrix-free GMRES have been
  43 % Experimental results from several integrated on-chip power
  44 % converters show that the proposed GPU envelope-following algorithm leads to
  45 % about 10$\times$ speedup compared to its CPU counterpart,
  46 % and 100$\times$ faster than the traditional envelop-following methods
  47 % while still keeps the similar accuracy.
  48
  49 \input{Chapters/chapter16/intro.tex}
  50 \input{Chapters/chapter16/ef.tex}
  51 %\input bdf.tex  % now inside gpu.tex now
  52 \input{Chapters/chapter16/gpu.tex}
  53 \input{Chapters/chapter16/exp.tex}
  54
  55 \clearpage
  56 \section{Summary}
  57 \label{sec:summary}
  58 In this chapter, we have presented a new envelope-following method for
  59 transient analysis of switching power converters.  First, the
  60 computationally expensive step, the solving of the Newton update equation,
  61 has been parallelized on CUDA-enabled GPU platforms with iterative
  62 GMRES solver to boost performance of the analysis method.  To further
  63 speed up the GMRES solving for the Newton update equation, we have
  64 employed the matrix-free Krylov basis generation technique.  The
  65 proposed method also applies the more robust Gear-2 integration to
  66 compute the sensitivity matrix.  Experimental results from several
  67 integrated on-chip power converters have shown that the proposed GPU
  68 envelope-following algorithm can lead to about 10$\times$ speedup
  69 compared to its CPU counterpart, and 100$\times$ faster than the
  70 traditional envelope-following methods while still keep the similar
  71 accuracy.
  72
  73
  74 \section{Glossary}
  75 \begin{Glossary}
  76 \item[Envelope-Following] In transient simulation of switching power circuits,
  77 nodal voltage waveforms in neighboring high frequency clock cycles are similar,
  78 but not exactly duplicates. Envelope-following technique approximates
  79 the slowly changing transient trend over a lot of clock cycles
  80 without calculating waveforms in all cycles.
  81 \end{Glossary}
  82
  83 \putbib[Chapters/chapter16/biblio16]
  84 %\bibliography{./envelope,../../bib/interconnect,../../bib/architecture,../../bib/simulation}